Effects of nitrogen fertilization on soil phosphorus speciation and soil microbial communities in different rotation cropping systems
Basierend auf einem 11-jährigen Feldeperiment im Jangtzekieferbecken zeigt diese Studie, dass eine ausgewogene zweisaisonale Stickstoffdüngung die Phosphorverfügbarkeit im Boden und die mikrobielle Diversität in Reis-Raps-Rotationen signifikant erhöht, indem sie die Bodeneigenschaften und die mikrobiellen Gemeinschaften moduliert, wobei das Wassermanagement als der übergeordnete Bestimmungsfaktor dieser Effekte dient.
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Im Herzen des chinesischen Jangtse-Beckens stehen Landwirte vor einer beständigen Herausforderung: Wie man eine wachsende Bevölkerung ernährt, ohne den Boden zu erschöpfen. Zwei Hauptarten des Anbaus dominieren diese Region. Die eine beinhaltet den Wechsel von Reis, der auf überfluteten Feldern wächst, mit Raps, der auf trockenen Feldern wächst. Die andere tauscht Reis gegen Mais aus, wobei beide Kulturen das ganze Jahr über unter trockenen Bedingungen gehalten werden. Diese Entscheidungen schaffen völlig unterschiedliche Welten unter der Oberfläche. In den überfluteten Feldern atmet der Boden ein und aus, während die Wasserstände steigen und fallen, was das chemische Milieu dramatisch verändert. In den trockenen Feldern bleibt der Boden konsistent belüftet. Beide Systeme verlassen sich stark auf Stickstoff, einen Nährstoff, der hinzugefügt wird, um das Wachstum zu fördern, aber Wissenschaftler fragen sich schon lange, wie dieser hinzugefügte Stickstoff mit Phosphor interagiert, einem weiteren lebenswichtigen Nährstoff, den Pflanzen zum Gedeihen benötigen. Während Stickstoff oft reichlich vorhanden ist, ist Phosphor häufig im Boden fest gebunden und für Pflanzenwurzeln unsichtbar. Das Verständnis darüber, wie man diesen verborgenen Phosphor freisetzen kann, ohne das empfindliche Gleichgewicht der lebenden Gemeinschaft des Bodens zu stören, ist entscheidend für eine nachhaltige Landwirtschaft.
Ein Forschungsteam der Huazhong Agricultural University machte sich daran, dieses Rätsel zu lösen, indem es ein elfjähriges Feldeperiment untersuchte. Sie verglichen die zwei Rotationssysteme – die Reis- und die Maisrotation – unter verschiedenen Stickstoffdüngungsstrategien. Anstatt einfach nur Dünger auf den Boden zu kippen, testeten sie spezifische Zeitpläne: die Anwendung von Stickstoff nur für die Hauptkultur, die Anwendung auf beide Kulturen und die Variation der Gesamtmenge. Ihr Ziel war es zu sehen, wie diese Entscheidungen die chemischen Formen des Phosphors im Boden und welche mikroskopischen Lebensformen Fuß fassen würden. Sie waren besonders daran interessiert, ob ein ausgewogener Ansatz, bei dem der Stickstoff über beide Wachstumsperioden verteilt wird, besser funktionieren würde als die Konzentration auf nur eine einzige.
Die Ergebnisse zeigten, dass die Art der Wasserbewirtschaftung die stärkste Kraft ist, die das Bodenmilieu formt. In der Mais-Raps-Rotation, in der der Boden trocken bleibt, führte die Zugabe von Stickstoff dazu, dass der Boden saurer wurde. Diese Acidität half dabei, einen Teil des gebundenen Phosphors aufzulösen und ihn für Pflanzen verfügbar zu machen, jedoch nur bis zu einem gewissen Punkt. Wenn die Forscher zu viel Stickstoff hinzufügten, wurde der Boden so sauer, dass dies tatsächlich die Menge an verfügbarem Phosphor reduzierte und die Gesundheit des Bodens schädigte. Im Gegensatz dazu verhielt sich die Reis-Raps-Rotation mit ihrer periodischen Überflutung anders. Das Wasserregime hielt den pH-Wert des Bodens stabil und nahe am neutralen Bereich, selbst wenn Stickstoff hinzugefügt wurde. Hier schuf die Überflutung Bedingungen, die Phosphor auf natürliche Weise aus Eisenverbindungen freisetzten, ein Prozess, den die Stickstoffdüngung weiter unterstützte, ohne eine Versauerung zu verursachen.
Die Studie ergab, dass die Methode der Stickstoffapplikation ebenso wichtig war wie die Gesamtmenge. Die erfolgreichste Strategie war ein ausgewogener Ansatz, bei dem Stickstoff sowohl in der Reis- (oder Mais-) Saison als auch in der Raps-Saison ausgebracht wurde. In dem Reis-Raps-System führte diese ausgewogene Strategie zu den höchsten Werten an verfügbarem Phosphor, die 30,26 Milligramm pro Kilogramm Boden erreichten. Dies war fast doppelt so viel wie die Menge, die im Mais-Raps-System unter derselben ausgewogenen Behandlung mit 14,79 Milligramm pro Kilogramm gefunden wurde. Noch wichtiger war, dass die ausgewogene Anwendung verhinderte, dass der Boden im Mais-System zu sauer wurde, und ein gesundes, neutrales Milieu im Reis-System aufrechterhielt.
Unter dem Boden spiegelten sich diese chemischen Veränderungen in der mikrobiellen Welt wider. Die Forscher nutzten fortschrittliche Sequenzierung, um die im Boden lebenden Bakterien zu identifizieren. Sie entdeckten, dass die beiden Rotationssysteme unterschiedliche mikrobielle Gemeinschaften beherbergten, die weitgehend durch das Wasserregime bestimmt wurden. Die trockenen Maisfelder wurden von Bakterien dominiert, die in sauerstoffreichen Umgebungen gedeihen, während die überfluteten Reisfelder eine andere Gruppe unterstützten, einschließlich Bakterien, die in der Lage sind, Eisen zu reduzieren, um Phosphor freizusetzen. Die Menge des angewendeten Stickstoffs verfeinerte diese Gemeinschaften zusätzlich. In den Maisfeldern förderte ein höherer Stickstoffgehalt Bakterien, die helfen, Phosphor durch Versauerung aufzulösen. In den Reisfeldern unterstützte die ausgewogene Stickstoffanwendung eine vielfältige Mischung von Mikroben, die zusammenarbeiteten, um Phosphor verfügbar zu halten.
Die Studie kommt zu dem Schluss, dass die Wasserbewirtschaftung die Bühne bereitet und das chemische Wesen des Bodens bestimmt, während die Stickstoffdüngung als Regisseur fungiert, der die Aufführung entweder verstärken oder stören kann. Die Forscher fanden heraus, dass eine ausgewogene, zweisaisonale Stickstoffanwendung der Schlüssel ist, um den meisten Phosphor für Pflanzen freizusetzen und gleichzeitig eine gesunde, vielfältige Mikrobengemeinschaft zu unterstützen. Dieser Ansatz ermöglicht es Landwirten, die Nährstoffversorgung der Pflanzen zu maximieren, ohne die Bodenversauerung auszulösen, die die intensive Landwirtschaft plagt. Indem man die Düngemittelanwendung auf die natürlichen Rhythmen des Rotationssystems abstimmt, ist es möglich, hohe Erträge aufrechtzuerhalten und den Boden für zukünftige Generationen zu schützen, was einen praktischen Weg für die Landwirtschaft im Jangtse-Becken und darüber hinaus bietet.
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